《嵌入式系統(tǒng)的概述》課件

嵌入式系統(tǒng)的概述嵌入式系統(tǒng)的定義定義嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入到其他設(shè)備或系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)特定功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它通常包括硬件和軟件兩部分，硬件部分主要包括微處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口等，軟件部分則包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序等。特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1嵌入式系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)用于特定任務(wù)，并針對(duì)該任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。它們通常被嵌入到更大型的設(shè)備或系統(tǒng)中，而不是作為獨(dú)立的設(shè)備使用。比如手機(jī)、汽車電子系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備等。2嵌入式系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)地響應(yīng)事件，并能夠在限定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。這對(duì)于一些對(duì)時(shí)間要求很高的應(yīng)用至關(guān)重要，比如工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等。3嵌入式系統(tǒng)需要在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，并能夠抵抗各種故障。它們通常需要具備高可靠性，以確保其正常工作并避免出現(xiàn)安全問題。嵌入式系統(tǒng)的分類按應(yīng)用領(lǐng)域分類消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車電子、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等按處理器類型分類單片機(jī)系統(tǒng)、微處理器系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)系統(tǒng)等按操作系統(tǒng)分類實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)、通用操作系統(tǒng)等按功能分類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等常見的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域消費(fèi)電子智能手機(jī)、平板電腦、智能手表、電子游戲機(jī)等工業(yè)控制工業(yè)自動(dòng)化、過程控制、機(jī)器人控制等汽車電子汽車導(dǎo)航、車身控制、安全氣囊系統(tǒng)等醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療影像設(shè)備、心電監(jiān)護(hù)儀、胰島素泵等嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)概覽微處理器/微控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行指令，控制系統(tǒng)運(yùn)行1存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置信息2輸入/輸出接口用于與外部設(shè)備進(jìn)行通信，例如傳感器、執(zhí)行器、顯示器等3總線用于連接系統(tǒng)各個(gè)組件，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸4電源管理負(fù)責(zé)供電和管理系統(tǒng)功耗5微處理器與微控制器微處理器微處理器通常是通用型的，可以執(zhí)行各種不同的程序，但需要外部的存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口和其他外設(shè)來(lái)構(gòu)建完整的系統(tǒng)。例如Intel的Core系列處理器、ARM的Cortex系列處理器等。微控制器微控制器是專門為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它包含了處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口和其他外設(shè)，可以構(gòu)成一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)，例如Atmel的AVR系列微控制器、TI的MSP430系列微控制器等。存儲(chǔ)器**ROM(ReadOnlyMemory):**存儲(chǔ)系統(tǒng)引導(dǎo)程序、固件等，通常在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)使用。ROM中的數(shù)據(jù)是不可更改的。**RAM(RandomAccessMemory):**存儲(chǔ)程序運(yùn)行時(shí)使用的數(shù)據(jù)和程序代碼。RAM中的數(shù)據(jù)是可讀寫的，但當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉后，數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。**FlashMemory:**具有非易失性存儲(chǔ)功能，可反復(fù)讀寫，常用于存儲(chǔ)系統(tǒng)配置信息、應(yīng)用程序、用戶數(shù)據(jù)等。**EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory):**具有非易失性存儲(chǔ)功能，可反復(fù)讀寫，常用于存儲(chǔ)系統(tǒng)配置信息、用戶數(shù)據(jù)等。輸入/輸出接口1串行接口例如UART、SPI、I2C等，用于連接速度較慢的設(shè)備，例如傳感器、執(zhí)行器、顯示器等。2并行接口例如GPIO、ParallelI/O等，用于連接速度較快的設(shè)備，例如存儲(chǔ)器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。3網(wǎng)絡(luò)接口例如Ethernet、Wi-Fi、藍(lán)牙等，用于連接網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信?？偩€和通信協(xié)議總線總線是連接系統(tǒng)各個(gè)組件的公共數(shù)據(jù)通道，用于數(shù)據(jù)傳輸。通信協(xié)議通信協(xié)議定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則和規(guī)范，確保數(shù)據(jù)在不同設(shè)備之間正確傳輸，例如UART協(xié)議、SPI協(xié)議、I2C協(xié)議等。常見的總線類型地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等嵌入式操作系統(tǒng)概述實(shí)時(shí)性嵌入式操作系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)事件，并能夠在限定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。1資源管理嵌入式操作系統(tǒng)需要高效地管理系統(tǒng)資源，例如處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備等。2任務(wù)調(diào)度嵌入式操作系統(tǒng)需要根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)和時(shí)間要求進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行。3中斷處理嵌入式操作系統(tǒng)需要及時(shí)處理來(lái)自外部設(shè)備的中斷，保證系統(tǒng)對(duì)事件的及時(shí)響應(yīng)。4設(shè)備驅(qū)動(dòng)嵌入式操作系統(tǒng)需要提供對(duì)各種外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序，方便應(yīng)用程序訪問外設(shè)。5實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)實(shí)時(shí)性強(qiáng)RTOS能夠在限定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，適合對(duì)時(shí)間要求很高的應(yīng)用，例如工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等。資源管理效率高RTOS能夠高效地管理系統(tǒng)資源，確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行。廣泛應(yīng)用RTOS在工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通用操作系統(tǒng)1功能豐富通用操作系統(tǒng)通常包含更多的功能，例如圖形界面、多任務(wù)處理、網(wǎng)絡(luò)支持等。2資源占用率高通用操作系統(tǒng)通常需要占用更多的系統(tǒng)資源，可能不適合資源受限的嵌入式系統(tǒng)。3常見通用操作系統(tǒng)Linux、Windows、Android等。嵌入式軟件開發(fā)概述需求分析確定系統(tǒng)功能、性能、可靠性等要求。軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)、模塊劃分、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法等。編碼使用特定的編程語(yǔ)言編寫代碼，實(shí)現(xiàn)軟件功能。測(cè)試對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證軟件是否符合需求。部署將軟件部署到嵌入式系統(tǒng)中，進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)。軟件開發(fā)流程嵌入式軟件建模與設(shè)計(jì)1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)確定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，劃分模塊和層次。2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，例如數(shù)組、鏈表、隊(duì)列等。3算法設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軟件功能的算法，例如排序、搜索、加密等。嵌入式軟件編碼與調(diào)試C語(yǔ)言C語(yǔ)言是嵌入式軟件開發(fā)中最常用的編程語(yǔ)言，它具有效率高、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言可以更直接地控制硬件，但代碼編寫難度較大。調(diào)試工具調(diào)試工具可以幫助開發(fā)人員查找和解決代碼中的錯(cuò)誤。嵌入式軟件測(cè)試與驗(yàn)證嵌入式軟件測(cè)試包括單元測(cè)試、集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試等，用于驗(yàn)證軟件的功能、性能、可靠性和安全性。測(cè)試可以幫助開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)和解決代碼中的缺陷，確保軟件質(zhì)量。嵌入式系統(tǒng)的電源管理1電池技術(shù)鋰離子電池、鋰聚合物電池等2電源管理電路DC-DC轉(zhuǎn)換器、線性穩(wěn)壓器、充電管理電路等3功耗優(yōu)化軟件優(yōu)化、硬件優(yōu)化等電池技術(shù)鋰離子電池高能量密度，廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備。鋰聚合物電池輕薄、可彎曲，適合用于各種形狀的設(shè)備。電源管理電路1DC-DC轉(zhuǎn)換器將高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，用于為系統(tǒng)各個(gè)組件供電。2線性穩(wěn)壓器通過線性方式降低電壓，適用于對(duì)電壓波動(dòng)要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。3充電管理電路負(fù)責(zé)電池充電過程，防止過充、過放、過熱等問題。功耗優(yōu)化1使用低功耗芯片2優(yōu)化軟件代碼，減少不必要的運(yùn)算和資源使用3使用休眠模式和低功耗模式，降低系統(tǒng)功耗嵌入式系統(tǒng)的安全性系統(tǒng)安全威脅惡意攻擊、數(shù)據(jù)泄露、設(shè)備故障等安全防護(hù)措施訪問控制、加密技術(shù)、安全協(xié)議等系統(tǒng)安全威脅惡意攻擊黑客攻擊、病毒感染、拒絕服務(wù)攻擊等數(shù)據(jù)泄露敏感信息泄露、隱私信息泄露等設(shè)備故障硬件故障、軟件故障、系統(tǒng)崩潰等安全防護(hù)措施訪問控制控制用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問權(quán)限。加密技術(shù)對(duì)敏感信息進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)泄露。安全協(xié)議使用安全的通信協(xié)議，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。加密技術(shù)1對(duì)稱加密使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密，例如AES、DES等。2非對(duì)稱加密使用不同的密鑰進(jìn)行加密和解密，例如RSA、ECC等。3哈希算法將任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定長(zhǎng)度的哈希值，用于數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證。嵌入式系統(tǒng)的可靠性1故障分析與診斷分析系統(tǒng)故障原因，并提供診斷方法。2冗余設(shè)計(jì)使用多個(gè)組件備份，提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力。3可靠性測(cè)試測(cè)試系統(tǒng)在不同環(huán)境下的可靠性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。故障分析與診斷日志分析分析系統(tǒng)日志，查找異常事件。代碼調(diào)試使用調(diào)試工具查找代碼中的錯(cuò)誤。硬件檢測(cè)檢測(cè)硬件組件是否出現(xiàn)故障。冗余設(shè)計(jì)**硬件冗余:**使用多個(gè)相同或類似的硬件組件，例如多個(gè)處理器、多個(gè)存儲(chǔ)器等，當(dāng)一個(gè)組件出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)組件可以接替工作。**軟件冗余:**使用多個(gè)相同的或類似的軟件模塊，當(dāng)一個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)模塊可以接替工作。**時(shí)間冗余:**重復(fù)執(zhí)行任務(wù)，例如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次校驗(yàn)，提高系統(tǒng)可靠性。可靠性測(cè)試可靠性測(cè)試可以幫助評(píng)估系統(tǒng)在不同環(huán)境下的可靠性水平，例如MTBF（平均故障間隔時(shí)間）和MTTR（平均維修時(shí)間）等指標(biāo)。嵌入式系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)1物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將各種設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制和互聯(lián)互通。2智能硬件將人工智能技術(shù)應(yīng)用到硬件設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)更智能的功能。3人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更智能的嵌入式系統(tǒng)。45G和邊緣計(jì)算利用5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低延遲特性，實(shí)現(xiàn)更高速、更低延遲的嵌入式系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)智能家居智能家電、智能安防、智能照明等。工業(yè)自動(dòng)化智能工廠、智慧農(nóng)業(yè)、智慧物流等。智能穿戴智能手表、智能眼鏡、智能手環(huán)等。智能硬件智能家居智能音箱、智能機(jī)器人、智能門鎖等。智能汽車自動(dòng)駕駛、智能導(dǎo)航、車聯(lián)網(wǎng)等。醫(yī)療設(shè)備可穿戴醫(yī)療設(shè)備、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)1人臉識(shí)別2語(yǔ)音識(shí)別3自然語(yǔ)言處理4機(jī)器視覺5G和邊緣計(jì)算1高速網(wǎng)絡(luò)5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低延遲特性，為嵌入式系統(tǒng)提供了